Метални конструкции за фотоволтаични инсталации

Всяка фотоволтаична (PV) инсталация преобразува слънчевата светлина директно в електричество, което съхранява, управлява и прави достъпно за употреба. Това е цялостна система, в която фотоволтаичните панели са само най-външната, видима част. Те заемат сравнително малки площи, ако са част от система с малка мощност, но могат да покриват и огромни площи, когато мощностите достигат стотици мегавати. Панелите се монтират върху скари от метални профили. Тук ще разгледаме само един специфичен аспект измежду всички елементи, особености и тънкости, присъщи на фотоволтаичните системи металните конструкции, върху които лягат PV-панели.

Текст: списание Енергия

Електроенергията, произведена от PV-система, е по-евтина от предлаганата на пазара, и това води до повсеместнотои бързо навлизане на технологията. Соларни панели се монтират на много места. Понатам ще говорим само за конструкциите, върху които се монтират фотоволтаичните панели, и за особеностите на опорната схема.

Видове носещи конструкции за PV-панели

Един или няколко свързани панели формират фотоволтаичен масив, наричан често „слънчев“. Наклонът на PV-масив е от съществено значение за ефективността на системата. Принципно има два вида конструкции, носещи модулите. Единият вид е стационарен. При него избраният първоначално наклон остава постоянен, независимо от промяната на ъгъла на слънчевото греене през деня и през сезоните. Другият вид осигурява промяна на наклона. Има възможност PV-масивите да проследяват слънцето през деня, но устройствата за проследяване, познати като тракери, и тяхната поддръжка твърде много оскъпяват енергията. По-често срещаното решение е носещата конструкция да е с фиксирани опори и възможност за промяна на ъгъла на наклона спрямо хоризонталната равнина.

Класическата конструктивна схема за поемане на натоварването от теглото на PV-масиви и натоварванията от вятър и сняг е равнинната ферма. Една такава примерна конструкция може да се опише условно като „триъгълна рамка“, чиято равнина е перпендикулярна на основата, и която носи хоризонталните носещи профили. Самата рамка се състои от профил по наклона, хоризонтален профил и вертикален профил. Тази триъгълна рамка може да бъде допълнена с междинни елементи, така че да се получи равнинна конструкция тип „ферма“, която осигурява пространствена неизменяемост в собствената си равнина, а извън нея това се постига с допълнителни укрепващи прътови елементи.

Опорите са в ниския край на хипотенузата и в долния край на вертикалния катет. Като изключим редките случаи на изготвени предварително ферми със заварени елементи, масовата практика е да се използват тънкостенни профили с разпробити отвори по начин, който да позволява сглобяване с искания наклон на хипотенузата, който е определящ за наклона на PV-модулите. Друга разпространена конструктивна схема е конзолната. При нея има един наклонен елемент, укрепен с два подкоса към вертикална стойка от стомана. Наклоненият елемент и подкосите обикновено са от тънкостенни стоманени профили. Стойката може да е от валцуван или съчетан профил.

Използват се и опростени схеми от две надлъжни греди. Едната е в долния край на панелите и е повдигната над основата с къси стойки. Втората е по-високо, така че денивелацията между двете да осигури наклона. Стойките под тази греда са по-високи, а между тях са развити диагоналите за пространствено укрепване. Каквато и да е схемата на носещата конструкция, винаги има предвидени профили за растер, подходящ за монтаж на самите панели. Геометрията на растера се указва от производителя или доставчика на PV-панели. Носещата конструкция е дело на инженер-конструктор. Ако е предвидено слънчевите модули да следват наклона на покрива, тогава се използват само повдигащи опорни профили, които да осигурят достатъчно пространство под тях за добър въздушен обмен и охлаждане.

Основните материали за носещите конструкции са стомана и алуминий. Предимствата на алуминиевите са ниското собствено тегло и антикорозионната устойчивост. Стоманените профили са предпочитани при по-големи премостени отвори, при конзолни стойки, при носещи профили, върху които стъпват големи, окрупнени блокове. Изключително важно е да се осигури антикорозионно покритие на стоманените елементи. Използваните тънкостенни профили са фабрично горещо поцинковани. За пълностенните елементи се използват различни начини - от горещо поцинковане след изготвяне на елементите до обмазване с антикорозионни покрития. В някои случаи се използва неръждаема стомана.

Къде се монтират фотоволтаичните панели?

Ако PV-инсталацията е предназначена за производство на електроенергия с малка мощност, панелите могат да бъдат монтирани по покривите на сградите. В нашата страна се срещат два типа покриви - плоски и скатни. И двата типа могат да бъдат използвани за монтаж на соларни панели. За предварителни разстановки на PV-модули се приема, че за всеки kW мощност на системата трябват около 10m² площ. По-надолу ще се спрем на особеностите при монтаж на соларни пана върху всеки един от двата типа покриви.

Съществува и вариант за разполагане на панелите по фасадите на сградите, но в тези случаи носещите конструкции се разработват строго индивидуално. Има конструкции и за разполагане на модули на стълбове. При фотоволтаични системи с голяма мощност се изграждат масиви върху терена. Някои големи фотоволтаични централи покриват десетки, дори стотици хектари. Наземно монтираните носещи конструкции не се различават принципно от тези върху плоските покриви, само при начините на стъпване има други решения.

Необходимо ли е проектиране?

Соларната система е съвкупност от елементи и функции. За да работи безупречно, проучванията и проектирането са абсолютно задължителни. Когато се предвижда поставяне на паната върху покрив, в предпроектните проучвания е необходимо да се включи и строителен инженер-конструктор. Обикновено се срещат два случая - когато при самото проектиране на дадена сграда е заложено изискването на покрива є да стъпват соларни панели и когато се иска панелите да бъдат монтирани върху съществуващи покриви. Само в първия случай е възможно да се използват сградно интегрирани фотоволтаични системи (BIPV).

Това означава, че фотоволтаици (PV) са включени в обвивката на сградата, при което изпълняват двойна функция - заместват конвенционалните строителни материали и генерират електричество. Фотоволтаичните модули, които се разполагат върху съществуващ покрив, могат да са от типа „тънък слой“ или кристални, прозрачни, полупрозрачни или непрозрачни. Те изискват отделно специални монтажни системи. Производителят задава начините на подпиране, разстоянията между точките на подпиране, теглото на елемента, а конструкторът решава няколко задачи. Най-напред обследва покривната площ, върху която се предвижда инсталиране на панелите от фотоволтаичната система.

Тази площ се проучва като част от цялостната конструктивна схема на покрива. Следва изчисляване на напреженията и деформациите в конструктивните елементи, които ще бъдат натоварени допълнително от нови товари. Ако е необходимо, може да се стигне до проверка на цялостното поведение на сградата, но в повечето случаи новите товари не са толкова големи, че да водят до това. Последната задача е изчисляването и конструирането на носещите рамки за соларните панели и стъпването им върху покрива. Когато PV-инсталация ще се изгражда наземно, трябва да се вземат проби от почвата и да се определи натоварването, което може да бъде прилагано.

Ако ще се използват изоставени терени от предприятия, задължително трябва да се издири подземния кадастър, за да не се допуснат инциденти с подземни комуникации. Една важна забележка - при мрежовите фотоволтаични системи до 30kWp (kWp - пикова мощност) е необходимо конструктивно становище и инвестиционен проект, част Електро - съгласно чл. 147, ал. 1, т. 14 и ал. 2 на ЗУТ; При мрежовите фотоволтаични системи над 30kWp се изготвя инвестиционен проект състоящ се от следните части: Електрическа, Конструктивна, Вертикална планировка, Геодезия, Архитектура, План за безопасност и здраве, Пожаробезопасност. При проектирането се изясняват носещата конструкция и стъпването й, така че да е осигурена стабилност на цялата PVинсталация.

Инсталиране върху стоманобетонни плоски покриви

Плоските покриви предлагат голяма площ, върху която модулите могат да се разположат по оптимален начин за най-добър резултат. PV-панелите се ориентират така, че повърхността им да е или успоредна на покривната повърхност, или под някакъв ъгъл. Специалистите, които проектират дадена фотоволтаична система, задават необходимия наклон. Той определя геометрията на носещите конструкции. Ако се предвижда наклон, се използват носещите рамки (равнинните ферми). Ако паната са с повърхност, успоредна на покривната, носещи рамки не са необходими. Използват се хоризонтални профили-водачи, върху които се захващат паната. Тези профили се закрепват или към покривната плоча, или върху предварително поставени бетонни „траверси“, подбрани по размер и брой така, че да осигурят конструкцията срещу евентуално повдигане при ветрово натоварване.

Редно е да се обръща особено внимание при изчисляване на необходимите бройки (според размери, тегло и вятър) от бетонни затежняващи елементи, които ще се поставят в ъглите на полето, покрито със слънчеви панели. Захващането на конструкциите към покривната плоча може да стане по два начина - с поставяне на тежести или с използване на дюбели за закрепване към бетона. И в двата случая е необходимо да се отчете натоварването от вятър за района. При дюбелиране има опасност през нарушената хидроизолация да започне да се просмуква вода при дъжд или сняг. Едно примерно решение е поставяне на допълнителна хидроизолация, която да се загъне нагоре, за да осигури преграда на водата. Може да се използват и специални изделия, тип „шаси“, които затежняват рамките, като се пълнят с чакъл, пясък или бетонни плочи.

Недостатък на това решение е голямото собствено тегло на материалите, използвани за баласт. Задължителното осигуряване на въздушен слой зад панелите за въздухообмен не позволява модулите да се полагат непосредствено върху такива „шасита“ и пак е необходима повдигаща конструкция. Една дребна, но не маловажна подробност - всички „плоски“ покриви имат някакъв минимален наклон. В случаите, когато се разчита, че носещите профили са осигурени срещу отлепване чрез някакви монолитни изделия без анкериране към покривната плоча, трябва да се огледа покритието на плочата и да се оцени коефициента на триене между затежняващото блокче и материала, от който е изпълнен най-горния слой на покрива. В противен случай има вероятност от приплъзване. Върху изпълнената носеща „скара“ се монтират фотоволтаичните панели, според геометрията на захващане, дадена от производителя на панелите.

Ако са предвидени няколко редици панели, трябва внимателно да се определи разстоянието между тях, за да не се засенчват взаимно. За ориентир се приема разстояние, равно на около три пъти вертикалната проекция на наклонения панел. За по-пълно използване на площите, като се елиминира засенчването, са разработени ново поколение PV-клетки. Те са разположени върху цялата околна повърхнина на цилиндрично тяло. Съставът на полупроводниковите клетки е подбран така, че цялата повърхност да е фоточувствителна и да „улавя“ по-ефективно светлината, което е невъзможно при плоските колектори. Цилиндричните панели се монтират хоризонтално върху носеща скара, на известно разстояние над покривната равнина, за да се охлаждат и да се използва най-пълноценно слънчевата светлина - и отразената, и дифузната.

Цилиндричната форма има по-особено обтичане при ветрово натоварване, и в резултат цилиндричните модули могат да понесат много по-голямо натоварване от вятър. За по-лесно обслужване се оформят групи така, че между тях да има технологично необходими разстояния за поддръжка. Има и един вариант, който не е широко разпространен - поставяне на модулите върху „вани“ с баласт. Това е разновидност на варианта „шаси“, който описахме по-горе. Разликата е, че ваната е от полиетилен, придадена є е аеродинамична форма и наклон от 15°, а от двете страни са оставени отвори за аерация. Използва се за единични стъпки на малки системи. Всичко, казано за затежняващите разработки, е валидно и за варианта „вана“.

Инсталиране върху скатни покриви

Соларни инсталации върху скатни покриви се използват предимно в домакинствата. За монтаж на PV-панели върху скатни покриви има разработени специални елементи, които свързват двата носещи успоредни профили към покривната конструкция по такъв начин, че покритието да не се нарушава. Тези профили могат да се поставят напречно или надлъжно, според приетата схема за монтаж на PV-модули, но на разстояние от покритието, за да се осигурява въздухообмен. Панелите се закрепват към носещите профили със специални клеми. Монтажните елементи и детайли се избират според покритието на покрива и според вида на носещата конструкция под него. Има номенклатура за покритие с керемиди, с ламарина, с битумни шиндли и др.

Готовите елементи за монтаж не могат да се използват, ако покривната конструкция или дори само покритието е извън стандарта. Тогава се налага индивидуален подход. Строителеният инженер ще конструира подходящата конфигурация от профили така, че да се осигури неизменяемост на скарата и стабилност при натоварвания от вятър и сняг. Специално ще обърнем внимание, че начинът за закрепване на соларни пана върху покритие от профилирана ламарина или сандвич-панели е аналогичен с този върху керемиди. И тук има два носещи успоредни профила, които се закрепват към носещата конструкция с анкериране през ламарината, като се спазва правилото ламарината да се пробива във висока вълнђ. Носещите профили винаги трябва да са корозионноустойчиви.

Особености при наземен монтаж

Изграждането на конструкция за соларни модули върху терена не трябва да засяга разнообразието на растителни и животински видове и да унищожава плодородна земеделска земя. Почвата и растителната покривка трябва да се опазят или възстановят така, че да не се допусне водна и ветрова ерозия на терена. При изграждане на фотоволтаични паркове върху терена носещата конструкция се изпълнява според вече описаните по-горе схеми. Начините за стъпване на носещите рамки или стойки се обуславя от два основни фактора - якостните характеристики на почвата и натоварването от модули, конструкция, вятър и сняг.

При свързани почви с добри якостни характеристики един много технологичен начин за фундиране е набиването на стойките в почвата. Дълбочината на проникване се изчислява, стойките са от горещопоцинковани стоманени профили, набиването става с контролирано налягане. Друга разпространена технология е използването на бетонни фундаменти, предварително изготвени в заводски условия. В тях има заложени анкерни болтове, и горната конструкция се монтира лесно и бързо чрез болтови връзки. Могат да се използват и бетонни елементи, които да се поставят директно на терена, без изкопни работи. При по-малки площи понякога се изливат бетонни фундаменти на място, но това не е препоръчителен начин за фундиране при изграждане на големи фотоволтаични полета.

Навеси, фасади и други

Ще кажем няколко думи за носещите конструкции за слънчеви модули, интегрирани в основната конструкция на сградата или съоръжението. Основната разлика с разполаганите върху покривите на сградите или върху терена модули е именно интегрирането. Модулите се „вграждат“ като елемент от цялото с индивидуално решение за всеки отделен случай. Представете си навес на зарядна станция за електромобили. Архитектурното решение може да бъде различно за всеки отделен навес.

Различна ще е и носещата конструкция за елементите от покрива. Тук идва новото - вместо конвенционалните покрития да се използват PV-масиви. Самата конструкция, обикновено стоманена, е изменена дотолкова, че да улесни монтажа на модулите. Това може да стане или с подходящ растер на профили, или с допълнителни профили, най-често алуминиеви, върху които да се монтират модулите. В такива случаи модулите са предимно стационарни. Има иновативни разработки, при които модулите са предназначени да заместят покритието. Произвеждат се пана не само с форма на керемиди, но и с възможността да заместят керемидите, като защитават подпокривното пространство от дъжд и сняг.

Разработките, при които фотоволтаиците са сградно-интегрирани (BIPV), имат голямо бъдеще. Те не само се използват като елементи от сградата, но са и образци на най-новите достижения в изработването на фотоволтаични покрития. При остъклени части от покрива фотоволтаичните клетки се вграждат в самите стъклопакети. Монтажът на такъв елемент по нищо не се различава от стандартен монтаж на стъклопакет върху покрив. Аналогично се подхожда при изпълнение на цели фасади на сгради. Изграждането на фотоволтаични инсталации намалява потреблението на доставяната електроенергия, повишава нивото на енергийна независимост на потребителя, оползотворява неизползваеми площи и терени, спомага за опазване на околната среда.
Това е бъдещето.